ЗАКОНОМЕРНАЯ СВЯЗЬ МЕЖДУ РАЗВИТИЕМ НЕКОТОРЫХ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ БОЛЕЗНЕЙ И НАРУШЕНИЕМ МЕТИЛИРОВАНИЯ ДНК ВСЛЕДСТВИЕ ДЕФИЦИТА ФЕРМЕНТОВ ФОЛАТНОГО ЦИКЛА

УДК: 575:113.1:577.213/.215:577.164.17

ЗАКОНОМЕРНАЯ СВЯЗЬ МЕЖДУ РАЗВИТИЕМ НЕКОТОРЫХ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ

БОЛЕЗНЕЙ И НАРУШЕНИЕМ МЕТИЛИРОВАНИЯ ДНК ВСЛЕДСТВИЕ ДЕФИЦИТА

ФЕРМЕНТОВ ФОЛАТНОГО ЦИКЛА

Гречанина Е.Я., Лесовой В.Н., Мясоедов В.В., ГречанинаЮ.Б., Гусар В.А.

Украинский институт клинической генетики ХНМУ

Исследование последних лет свидетельствуют о важности процесса метилирования в этиологии и патогенезе многих наследственных заболеваний, что открывает новые возможности их лечения. Метионин – незаменимая аминокислота, входит в состав белков. Служит в организме донором метильных групп (в составе S-аденозил-метионина) при биосинтезе холина, адреналина и др.; источником серы при биосинтезе цистеина. Имеет 52 биохимических синонима. Химическое наименование метионина – (2S)-2-amino-4-methylsulfanyl-butanoic acid. Химическая формула - C5H11NO2S.

Уникальные функции метионина:

Участвует в реакциях трансметилирования;
Служит донором метильных групп;
Учавствует в синтезе биологически активных веществ;
Принимает участие в синтезе нуклеиновых кислот;
Является акцептором метила для 5- метиленгидрофолат-гомоцистеинметилтрансферазы (метионинсинтазы). Биологическая функция метионина:
Незаменимая аминокислота

Биологическая функция метионина:

Незаменимая аминокислота
Компонент аминоацил тРНК биосинтазы
Компонент метаболизма глицина, серина и трианина
Компонент гистидинового обмена
Компонент метионинового метаболизма
Компонент селеноаминокислотного метаболизма
Компонент тирозинового метаболизма

Ферменты метаболизма метионина представлены:

Метионин синтазой
Тирозин аминотрансферазой
S-аденозилметионин синтетазой изоформой 2 типа
Арсенит метилтрансферазой
Индометиламин Nметилтрансферазой
S-аденозилметионин синтетазой изоформой 1 типа
Бетаин-гомоцистеин Sметилтрансферазой 1.
Метионил-tРНК синтетазой, цитоплазматической
Метионин аденозилтрансферазой 2 субчастицей бета.

Нарушение процессов реметилирования (образования метионина из гомоцистеина), происходящее из-за дефицита ферментов MTHFR и MTRR приводит к развитию ряда патологических состояний, таких как: атеросклерозы; атеротромбозы; дефект незаращения невральной трубки; инфаркты; нарушение расхождения хромосом в оогенезе и повышает риск рождения детей с синдромом Дауна. Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца.

Полиморфизм ДНК — это наличие различий последовательности ДНК в конкретном локусе. Фермент MTHFR: Дефицит фермента МTHFR →снижение метилирования ДНК → избыточное накопление гомоцистеина и метионина. В случае сниженной активности фермента МTHFR во время беременности усиливается влияние тератогенных и мутагенных факторов внешней среды.

Снижение активности МТHFR по материнской линии приводит к увеличению рождения детей с трисомией хромосомы 21 в 1, 9 раза. Фермент MTRR. Ген MTRR кодирует аминокислотную последовательность фермента метионин синтазы редуктазы. Одной из функций фермента МTRR является обратное превращение гомоцистеина в метионин. Ген MTRR локализован на 5р15.3-р.15.2. Замена аминокислотного остатка изолейцина → метионин в позиции 66. В результате этой замены функциональная активность фермента снижается, что приводит к повышению риска нарушений развития плода - дефектов невральной трубки, синдрому Дауна. Метилирование белков определяет их функциональную активность, метилирование фосфолипидов – структуру мембран и обеспеченность организма незаменимыми жирными кислотами. Метилирование ДНК играет ведущую роль в формировании и поддержании эпигенетической изменчивости – наследственного динамического процесса, определяющего степень активности генов. Профиль метилирования значительно влияет на функциональное состояние генов и стабильно передается в ряду клеточных поколений. Исходя из этого обстоятельства для организмов с большой продолжительностью жизни и интенсивной тканевой регенерацией необходима надежная система эпигенетической наследственности. Дестабилизация генома наступает в случае изменения эпистатуса. Известен тот факт, что вирусные последовательности, попав в человеческие клетки, могут подвергаться метилированию, которое приводит к блокировке транскрипции и дальнейшей элиминации вируса. Возникают предположения, что роль метилирования ДНК как компонента клеточной системы, предназначенной для уничтожения чужой или излишней ДНК (или подавления ее функции) сохраняется, по-видимому, на протяжении всей жизни [32]. На примере фолатного цикла можно увидеть механизм запуска дестабилизации генома. Фолатный цикл является сложным каскадным процессом. В нем задействовано большое количество ферментов, для успешной работы которых необходимо наличие фолиевой кислоты в достаточном количестве и витаминов группы В. В этом цикле происходит перенос метильных групп, осуществляется метаболизм гомоцистеина, избыток которого превращается в незаменимую аминокислоту метионин [15]. В свою очередь, метионин превращается в S-аденозилметионин (SАМ), который является в клетке основным донором метильных групп, необходимых для синтеза и метилирования ДНК, РНК, белков и фосфолипидов. Дефицит фолиевой кислоты и витаминов группы В, связанный с особенностями диеты, а также мутации в генах фолатного обмена, обусловливающие снижение активности ферментов, приводят к избыточному накоплению гомоцистеина в крови и, как следствие, нарушению процессов метилирования в клетках. В работе обсуждается гипотеза – дефицит ферментов генов фолатного цикла сопровождается, в частности, недостатком метильных групп, что в свою очередь, оказывает влияние на эпигенетический статус, приводя к запуску эпимутаций и как следствие – манифестации некоторых эпигенетических и онкогенетических синдромов. На большом клиническом материале с использованием методов клинической протеогеномики показана роль дефицита ферментов фолатного цикла и гипометилирования в манифестации некоторых форм моногенной и хромосомной патологии. Вступление. Поступающие в организм химические вещества, как известно, преобразуются в циклах, которые содержат определенное количество ступеней превращения. Каждая ступень превращения продукта требует участия определенного фермента, с помощью которого образуется новый продукт. Для нормального биосинтеза белка, таким образом, требуется, чтобы гены, которые кодируют ферменты, не имели мутаций, а кофакторы поступали в организм в достаточном количестве и адекватно им усваивались. В противном случае нарушение работы фолатного цикла сказывается на жизнедеятельности клетки, органа, организма и популяции. В последние три десятилетия нарушение фолатного цикла широко обсуждается как возможная причина манифестации распространенных заболеваний, о чем свидетельствуют более тысячи статей, опубликованных в мировой печати, посвященных проблеме нарушения обмена метионина и полиморфным генам фолатного цикла. Установлено, что метилирование ДНК определяет взаимодействие между ДНК и белками, распознающими модифицированные основания, регулирует генную экспрессию через механизм компактизации-декомпактизации хроматина, являясь основным модификатором генома [5,9,13]. Гипометилирование может приводить к нестабильности хромосом, потере защиты от вредных рецессивных мутаций и, возможно, к глобальному снижению активности генома, что сказывается на клинической манифестации наблюдаемых больных. При длительном наблюдении за больными с наследственной патологией, ассоциированной с дефицитом ферментов фолатного цикла, нами отмечена волнообразная манифестация клинических признаков конкретного наследственного заболевания и нарушения обмена метионина, что заставляет говорить о фенои генотипическом проявлении синтропии. Медицина стоит на пороге перемен в понимании болезней человека: ближайшее будущее медицины – редкие наследственные болезни. На смену симптоматическому лечению наследственной патологии приходит патогенетическое как переходной этап к этиологическому. Такой подход приобретает реальные черты в связи с бурным развитием молекулярной генетики, которая все чаще позволяет найти «мишени болезни» - точечные мутации или полиморфные гены предрасположенности к мультифакториальным заболеваниям. Это и есть зарождение персонализированной (индивидуальной) медицины. Наиболее распространенные минимальные отличия генетических характеристик людей получили название однонуклеотидного полиморфизма – однообразные вариации среди разных людей. Генный полиморфизм - это изменения в последовательностях структуры генов, встречающихся с различной частотой и имеющих влияние на функцию белков. Индивидуальность полиморфизмов может приводить к самым разным фенотипическим последствиям. Те замены, которые радикально меняют функции биохимического продукта гена, относятся к классическим «точечным» мононуклеотидным мутациям и являются причиной наследственных болезней в семье. Те замены, которые не приводят к значительному изменению первичного генетического продукта, вызывают предрасположенность к болезням вместе с факторами внешней среды и общим генетическим фоном. Это – полиморфные гены, предназначение которых в норме позитивное, направленное на адаптацию нашего вида к условиям среды всей популяции. Любые изменения в геноме, в том числе и полиморфных генах, связаны с соматическим, психическим и репродуктивным здоровьем. Это обстоятельство заставило нас подойти с позиций новой генетики (геномики) к изучению роли полиморфных генов фолатного цикла в возникновении и исходах наследственных заболеваний человека – сосудистых, неврологических, хромосомных, скелетных. В течение 40 лет с момента описания гомоцистинурия считалась очень серьезным и даже угрожающим жизни состоянием, но редким по частоте. В последние годы стало очевидным существование «мягких» форм болезни, при которых поражается один орган или система, но от этого его опасность не становится меньше. Официально признанной в Европе стала частота классической ГЦУ 1:20000. В последние годы появились данные о причастности к развитию гомоцистинурии не только дефицита фермента CBS, для которого кофактором является витамин В6 (80% больных имеют эту форму патологии), но и недостаточности метилентетрагидрофолатредуктазы, которая нарушает реметилирование гомоцистеина в метионин (15% больных с ГЦУ) и дефицит метилкобаламина (витамина В12), нарушающий тот же процесс (5% пациентов). Фолатный цикл стал в центре проблемы. Человек получает с пищей восстановленные полиглютаматы, которые гидролизуются до моноглютамата. В тонком кишечнике фолат-моноглютамат всасывается и восстанавливается до тетрагидрофолата, становясь биологически активным. Происходит их метилирование и в крови тетрагидрофолат метилирует до 5'- метилтетрагидрофолата (5'-MTHF). Источником 5'-MTHF является и пища, и кишечно-печеночный цикл: птерилмоноглютамат всасывается из кишечника, поступает в печень, здесь метилируется до 5'-MTHF, который затем выделяется с желчью в кишечник, всасывается в нем и распространяется с кровотоком. Поступление 5'-MTHF в ткани осуществляется с помощью эндоцитоза при участии 3-х форм специфических фолатных рецепторов. Внутри клетки 5'-MTHF служит донором метильных групп и основным источником тетрагидрофолата. Тетрагидрофолат является акцептором большого числа моноуглеродных групп, превращается в разные виды фолатов – специфических коферментов для многих клеточных реакций – 5 формилтетрагидрофолат (фолиневая кислота, лейковорин), 10- формилтетрагидрофолат и 5,10- метилентетрагидрофолат. Частота полиморфизмов, связанных с метаболизмом фолатов и гомоцистеина, значительно варьирует среди различных этнических групп, что в настоящее время может быть подтверждено популяционным скринингом с помощью генотипирования. До настоящего времени не был проведен анализ, который бы оценил частоты полиморфных генов, вовлеченных в метаболизм фолатов и гомоцистеина в украинской популяции. Настоящее исследование представляет собой попытку оценить частоту полиморфных генов MTHFR, MTRR, RFC-1 в украинской популяции, произвести уникальную оценку фено- и генотипических ассоциаций при распространенных полиморфных генах, выяснить существование закономерной связи между развитием некоторых эпигенетических болезней и нарушением метилирования ДНК вследствие дефицита ферментов фолатного цикла. Стремление охватить одновременно в условиях комплексного изучения патологических процессов все уровни жизни может быть реализовано лишь при многопараметрическом, пролонгированном во времени, многоэтапном исследовании.

В процессе неонатального скрининга выявлено 40,7% гетерозиготных носителей С677Т MTHFR, гомозиготных носителей 677Т - 7,04%. А частота мутантного аллеля MTHFR составила 27,39% (табл.1). Частота гетерозиготных и гомозиготных носителей А66G MTRR оказалась выше (43,0% и 35,5%, соответственно). А частота мутантного аллеля MTRR составила 57%. По результатам скрининга полиморфизмов в генах системы фолатного цикла (MTHFR, MTRR), который проводился с 2008г. в Харьковском специализированном медико-генетическом центре, обследовано 1938 пациентов с дефицитом ферментов фолатного цикла. Рассчитаны частоты соответствующих аллелей.

По данным многих исследователей, в частности [51], полиморфизм MTHFR C677T в гомозиготном состоянии является высоким показателем риска развития дефекта незаращения невральной трубки (ДНТ) (у матерей, имеющих данный вариант полиморфизма, риск рождения детей с таким пороком возрастает на 60%). В нашей выборке процент гомозиготных носителей C677T составил 7.0%. Данный показатель ниже по сравнению с аналогичным в европейской популяции (11.3%) [31]. Существуют различные гипотезы, одна из которых предполагает, что носители высокой частоты аллеля 677T могли иметь селективные преимущества в естественном отборе, поскольку во время голода снижение активности MTHFR приводит к снижению реметилирования гомоцистеина, и таким образом, тетрагидрофолат сохраняется для жизненно важного синтеза ДНК и РНК. Полиморфизм MTRR A66G является распространенным для большинства популяций. Тем не менее, и в исследовании, которое было проведено ранее Matalon R., Grechanina E. et al. [31] и в проведенном нами исследовании была обнаружена высокая частота данного аллеля, по сравнению с частотами других популяций (табл.1). Кроме того, в украинском населении наблюдался высокий процент (35.5%) гомозиготных носителей A66G (в европейской популяции 29.6%) по данным [27]. В выборке пациентов процент гомозиготных носителей составил 37.0%. Для гомозиготного генотипа MTRR A66G риск развития ДНТ более высок, даже вне зависимости от приема фолиевой кислоты [41]. По данным [21] наличие компаунда гомозиготных генотипов MTHFR C677T и MTRR A66G связано с 3-х и 4-х кратным риском развития ДНТ. Также гомозиготный генотип A66G может сопровождаться низкими уровнями кобаламина, в связи с чем, для матерей риск повышается почти в 5 раз. Таким образом, полиморфизм MTRR A66G может увеличивать риск развития ДНТ в популяции украинцев как независимо, так и в сочетании с другими мутациями и внешними факторами. Учитывая полученные данные по полиморфизмам MTHFR C677T и MTRR A66G, мы исследовали частоты их компаундов.

Cочетание полиморфных вариантов генов MTHFR и MTRR, обуславливая различную функциональную активность белковых продуктов, характеризовалось определенным спектром биохимических реакций, затрагивающих как фолатный цикл, так и ассоциированные с ними другие стороны метаболизма. Эти данные станут предметом нашего последующего сообщения. Нами установлены определенные фено- и генотипические ассоциации при изученных генетических компаундах. Отметчено наибольшее разнообразие нозологических форм при гетерозиготном компаунде С677Т Htzg/А66G Htzg (167 пациентов) и при сочетании С677Т Htzg/А66G Hmzg (159 пациентов): в частности, при репродуктивной патологии Htzg/Htzg – 3, Htzg/Hmzg – 10, Hmzg/Hmzg – 1; при сосудистой патологии Htzg/Htzg – 30, Htzg/Hmzg – 24; Hmzg/Hmzg – 4; при хромосомной патологии - Htzg/Htzg – 15, Htzg/Hmzg – 9.

Далее мы попытались составить фенотипические портреты, соответствующие определенным полиморфизмам и их компаундам. Нами отмечены и редкие осложнения, ассоциируемые с классической гомоцистинурией: фатальная цереброваскулярная окклюзия, хронический (подострый) панкреатит, экстрапирамидные симптомы (дистония, миоклонус, оромандибулярная дистония).

Вначале мы попытались сгруппировать в соответствии с характером полиморфизма фенотипические признаки и получили в обобщенном виде такие данные. Для этого обследовано 652 пациента. У 71 (10.9 %) пациента полиморфизмы не выявлены. У 581 (89.1 %) выявлены полиморфизмы, характеризующиеся следующими клиническими проявлениями. Гомозиготные и гетерозиготные носители MTHFR C677T и MTRR A66G во многом оказались сходными потому, что их объединял общий патогенетический признак – гипергомоцистеинемия. У 17 (2.71 %) пациентов обнаружен гомозиготный компаунд 677Т MTHFR и 66G MTRR. Фенотипы гомозиготных компаундов были малочисленны и не позволили сделать определенных выводов, хотя четко прослеживалась их связь с дефицитом ВНМТ. У 22 (3.5 %) пациентов обнаружено сочетание 677Т MTHFR в гомозиготном состоянии и 66А/G MTRR в гетерозиготном состоянии. Гомозиготные компаунды 677Т MTHFR и гетерозиготные 66А/G MTRR отмечались значительным поражением вен – нижних конечностей, внутренних органов, ягодиц, нижней части тела. Компаунды htrz С677T MTHFR и hmzg A66G MTRR сопровождались сочетанием разных фенотипов, хотя регулирующая роль фолатного цикла прослеживалась. Нарушение репродуктивной функции семьи, отягощенной носительством полиморфных генов сопутствовало 7.8% обследованных. У 109 (17,38 %) пациента обнаружен гетерозиготный компаунд 677 С/Т MTHFR и 66А/G MTRR. При нем прослеживают ассоциации, свойственные мягкой гомоцистинурии с самостоятельными нозологическими формами болезни (нарушением жирных кислот, органические ацидурии, трисомии 21). При двух гетерозиготах фенотипические проявления оказались наиболее разнообразными и чаще сочетались с клиническими проявлениями других точечных мутаций (с-м Цельвегера, с-м Ретта). Учитывая тот факт, что дефицит ферментов фолатного цикла приводит к снижению метилирования ДНК и как следствие, к нарушению расхождения хромосом и риску рождения ребенка с синдромом Дауна, мы детектировали полиморфизмы генов системы фолатного цикла и проанализировали частоты генотипов и аллелей полиморфизмов С677Т и А66G в выборке пациентов с синдромом Дауна. Общая выборка составила 93 пациента, среди которых 48 матерей, имеющих детей с синдромом Дауна и 45 детей с синдромом Дауна. В выборке матерей, имеющих детей с синдромом Дауна частота гетерозиготных носителей СТ MTHFR составила 43.7%, гомозиготных ТТ – 4.2%, с генотипом СС – 52.1%. Частота гомозиготного аллеля Т– 26.0%. Распределение частот полиморфизма А66G гена MTRR соответствовало следующим значениям: индивиды с гетерозиготным генотипом АG – 31.2%, с гомозиготным генотипом GG – 45.8%, с нормальным генотипом АА – 23.0%. Частота гомозиготного аллеля G – 61.4%. В выборке детей с синдромом Дауна доля индивидов с гетерозиготным генотипом С677Т MTHFR составила 37.8%, с гомозиготным ТТ – 6.7%, с генотипом СС – 55.5%. Частота гомозиготного аллеля 677T MTHFR – 25.5%. При расчете частот полиморфизма А66G MTRR получены следующие значения: индивиды с гетерозиготным генотипом АG – 55.6%, с гомозиготным генотипом GG – 24.4%, с нормальным генотипом АА – 20.0%. Частота гомозиготного аллеля G – 52.2%.

Эпигенетическая регуляция активности генов:

Эпигенетическая изменчивость – изменение генной экспрессии без изменения первичной последовательности нуклеотидов. Эпигенетика – модификация генной экспрессии, обусловленная наследственными, но потенциально обратимыми изменениями в структуре хроматина и/или в результате метилирования ДНК. Фенотипический эффект генов может изменяться в зависимости от расположения соседних с ним генов (эффект положения). Эухроматиновый ген при перемещении в гетерохроматиновую область генома изменяет свою экспрессию (А. Стертевант). Важный эпигенетический феномен – взаимодействие аллельных генов, находящихся в гетерозиготном состоянии, которое приводит к наследуемому изменению экспрессии одного из аллелей и называется парамутацией. Парамутация – это явление, при котором генетические факторы сегрегируют в неизменном виде от гетерозиготных носителей. Парамутация связана с наследственными изменениями структуры хроматина, которые проявляются через дистантные цис- и трансвзаимодействия генов. Эпигенетическая регуляция генной экспрессии связана с повторяющимися последовательностями ДНК: мини-, микрои макросателлитами, которые локализованы в гетерохроматиновых областях генома. Гетерохроматин включает как простые повторы, так и мобильные генетические элементы – транспозоны (число транспозонов 106, удельный вес в геноме 40% (Смит А.Ф.)). Транспозоны дестабилизируют геном путем инсерционного мутагенеза и приводят к хромосомным перестройкам через рекомбинацию между неаллельными повторами. Гипотеза: эпигенетическая супрессия транспозонов в геноме млекопитающих состоит в защите хозяина от паразитических последовательностей ДНК. Если метилирование ДНК – это защитный механизм, который обеспечивает инактивацию паразитических последовательностей ДНК (транспозоны и провирусные ДНК), то его нарушение может приводить к потере защиты от вредных рецессивных мутаций. Наше предположение: дефект работы донора метильных групп – метионина несет за собой длинную цепь генетических событий, которые приводят к многочисленным нарушениям в организме человека.

Теоретические доказательства полученных данных.

Для нормальной реализации генетической программы индивидуума эпигенетическая регуляция активности генов имеет существенное значение, поскольку обеспечивает установление и поддержание их дифференциальной экспрессии [11,40,43,46]. Согласно современным представлениям, под эпигенетическими процессами понимают наследуемые, стабильные, но потенциально обратимые изменения экспрессии генов, не связанные с нарушениями их нуклеотидной последовательности [1,13,14]. Собственно, метилирование и является основным эпигенетическим модификатором генома, поскольку вовлечено в такие фундаментальные процессы жизнедеятельности клетки, как регуляция экспрессии генов и поддержание стабильности генома. Метилирование ДНК осуществляется, главным образом, в результате обратимой химической модификации цитозина (С), путем присоединения метильной группы с S-аденозилметионина (SAM) к углероду, расположенному в 5’-положении пиримидинового кольца, что приводит к образованию 5’метилцитозина. Цитозин метилируется только в том случае, если рядом с ним находится гуанин (G) в сочетании СрG, где р – остаток фосфорной кислоты, связывающийся с сахарными остатками с образованием сахарофосфатного остова ДНК [2]. SAM, являющийся универсальным донором метильных групп для целого ряда акцепторов (норадреналин, гуанидинацетат, глицин, нуклеиновые кислоты, гормоны и др.), образуется из метионина в процессе реметилирования последнего из гомоцистеина. Следовательно, при дефиците метионина, будет наблюдаться дефицит SAM. В данной связи, рассмотрим более подробно один из путей метаболизма гомоцистеина – реметилирование (фолатный цикл). Фолатный цикл является сложным каскадным процессом. В реакции, катализируемой ферментом MTHFR, из тетрагидрофолата и серина образуется 5,10- метилентетрагидрофолат, который затем восстанавливается до 5- метилтетрагидрофолата. На следующем этапе метильная группа от 5- метилтетрагидрофолата переносится на гомоцистеин в реакции, которая катализируется В12-зависимой метилтрансферазой [15]. При реметилировании гомоцистеин получает метильную группу и образует метионин. Данную реакцию катализирует цитоплазматический фермент метионинсинтаза (MTR). Для работы фермента необходим метилкобаламин, производное витамина В12. Метионин-синтаза обеспечивает преобразование гомоцистеина в метионин посредством реакции, в которой метилкобаламин выступает в роли промежуточного переносчика метильной группы. При этом происходит окисление кобаламина, и фермент MTR переходит в неактивное состояние. Восстановление функции фермента возможно в ходе реакции метилирования при участии фермента MTRR [17]. Таким образом, дефицит фолиевой кислоты и витаминов группы В, связанный с особенностями диеты, а также мутации в генах фолатного обмена, обусловливающие снижение активности ферментов, приводят к избыточному накоплению гомоцистеина в крови и нарушению процессов метилирования в клетке. Следует подчеркнуть особую роль генов, кодирующих ферменты фолатного цикла, поскольку дефицит метильных групп напрямую связан с полиморфизмами в данных генах. Полиморфные варианты генов MTHFR, MTRR и MTR, обуславливая различную функциональную значимость белковых продуктов, влияют на широкий спектр биохимических реакций в ходе фолатного цикла, и, по мнению ряда авторов, могут рассматриваться как фактор риска развития некоторых заболеваний [17,66]. Существует ряд аллельных вариантов гена MTHFR, вызывающих тяжелую недостаточность фермента, но большинство из них являются редкими. Наиболее изучен полиморфизм C677T: точковая замена (миссенс-мутация) цитозина (C) на тимин (T) в позиции 677, приводящая к замене аминокислотного остатка аланина на валин (Ala222Val) в сайте связывания фолата [26,35,53]. У лиц, гетерозиготных по данной мутации, отмечается термолабильность фермента и снижение его активности примерно до 35%, у гомозигот - до 70% [63]. Наличие этой мутации может сопровождаться повышением уровня гомоцистеина в крови. Другим полиморфизмом гена MTHFR является точковая замена аденина (A) на цитозин (C) в позиции 1298, приводящая к замене аминокислотного остатка глутамина на аланин (Glu429Ala) в регуляторном домене фермента [54,63]. Аллель А1298С незначительно снижает активность фермента. В отличие от полиморфизма C677T, гетерозиготность и гомозиготность по мутации А1298C не сопровождается повышением концентрации общего гомоцистеина и снижением уровня фолата в плазме. Однако, компаунд-гетерозиготность по двум аллелям 677T и 1298C сопровождается снижением активности фермента на 40-50%, повышением концентрации гомоцистеина в плазме и снижением уровня фолата, как это бывает при гомозиготном носительстве аллеля 677T [17,63]. В гене метионин-синтазы, катализирующем реметилирование гомоцистеина в метионин описан полиморфизм в позиции A2756G в сайте связывания фермента MTR, приводящий к замене аспарагиновой кислоты на глицин [55,60]. Большинство исследований свидетельствуют о сниженном уровне гомоцистеина в плазме, чаще при гомозиготном носительстве полиморфизма A2756G, чем при гетерозиготном [23,28,30,47,56]. Полиморфизмом гена MTRR является A66G - точковая замена аденина (A) на гуанин (G) в позиции 66, приводящая к замене аминокислотного остатка изолейцин на метионин (Ile22Met). Данный полиморфизм в 4 раза снижает активность фермента MTRR [38]. Таким образом, на эпигенетическом статусе гена могут отразиться изменения локусов, которые тем или иным способом вовлечены в регуляцию структуры хроматина, т.е. полиморфные варианты гена 5,10-MTHFR могут оказывать влияние на характер метилирования ДНК, изменяя уровень SAM. Было показано, что наличие гомозиготной замены 677Т в гене MTHFR у женщины увеличивает риск рождения ребенка с синдромом Энгельмана и эпимутацией в центрах импринтинга [67]. Метилирование ДНК в геноме является специфической формой клеточной памяти (эпигенетическая память), которая играет ключевую роль в развитии благодаря специфическому кодированию генной экспрессии в разных клетках. Несмотря на единый геном, клетки организма имеют разные эпигеномы, что обеспечивает дифференциальную экспрессию, разные клеточные фенотипы и функции [13]. Также установлено, что метилирование цитозиновых оснований ДНК предопределяет взаимодействие между ДНК и белками, входящими в состав хроматина и такое взаимодействие через механизм компактизации-декомпактизации хроматина регулирует экспрессию генов. Генетические и эпигенетические механизмы регуляции генной активности тесно взаимосвязаны. Нуклеотидная последовательность гена определяет локализацию потенциальных сайтов метилирования (СpG-островков) и кодирует ферменты, вовлеченные в процесс генной регуляции. В то же время, сама экспрессия генов, записанных в генетическом коде, регулируется процессом метилирования. Метилирование также может прямо влиять на генетический код через увеличение частоты генных мутаций вследствие дезаминирования цитозина [5,13], выступая в качестве мощного генератора мутаций, а остатки 5- метилцитозина – горячие точки мутагенеза [12]. Нарушение статуса метилирования ДНК, которое происходит вследствие гипоили гиперметилирования аллей генов является эпимутацией. Первичные эпимутации приводят к изменению экспрессии гена без изменения его нуклеотидной последовательности. Представлены, в основном, в регуляторных областях гена. Вторичные эпимутации характеризуются аберрантными модификациями хроматина. Такие заболевания как, синдром Мартина-Белл, Ретта, ICF, Коффина-Лаури, РубинштейнаТейби обусловлены мутациями в генах, кодирующих белки и ферменты (транскрипционная активность хроматина), которые участвуют в эпигенетической реорганизации хроматина [11]. Для доказательства выдвинутой нами гипотезы рассмотрим механизм метилирования при синдроме Ретта (RTT) (МІМ и ОМІМ, 312750). Его происхождение остается недостаточно выясненным. К настоящему времени большинство исследователей предполагают, что RTT — не нейродегенеративное прогрессирующее мозговое поражение, а скорее генетическое нарушение развития мозга, и связывают данный синдром с нарушениями в Ххромосоме. Среди других возможных механизмов наследования обсуждается также митохондриальная модель, предложенная в 1989 году Eeg-Olofsson O. и соавторами на основании найденных ими структурных изменений митохондрий и метаболических аномалий, указывающих на митохондриальную дисфункцию (примерно у 50% девочек с синдромом Ретта обнаруживается умеренное повышение молочной и пировиноградной кислот в крови или ликворе) [33]. Частота RTT составляет 1 на 10 000 – 15 000 детей женского пола, а в отдельных регионах — 1 на 3000 [18,36]. Географическое распространение RTT неравномерно. Отмечено скопление больных в определенных небольших сельских районах «Ретт-ареалы», что может быть связано с существующими популяционными изолятами. Такая концентрация заболевания наблюдается в Норвегии, Италии, Албании и Венгрии [16]. До 1990 г. считалось, что RTT поражает только девочек [22]. В последние годы появились единичные публикации [65], в которых представлено описание лиц мужского пола с RTT. Патогенетические механизмы при RTT также остаются недостаточно изученными. В 95% случаев к заболеванию приводят мутации в гене MеCP2 (MethylCpG binding protein 2), который находится на длинном плече X-хромосомы Xq28 и участвует в регуляции транскрипции [20]. В настоящее время известны 8 патогенных рекуррентных мутаций гена МеСР2 (R160W, R133C, T158M, R168X, R255X, R270X, R294X, R306C), приводящими к RTT [18,49]. Атипичная форма RTT (5%), характеризующаяся инфантильными спазмами и ранним началом судорог, возникает при мутации CDKL5 в гене Xq22 [59]. У мальчиков с мутацией MеCP2 отмечается неонатальная энцефалопатия, приводящая к смерти вскоре после рождения [45,48]. Фенотипические мальчики с клиническими проявлениями RTT имеют кариотип 46, ХХ или 46, ХХУ и мутацию гена MеCP2 [37]. У мальчиков с RTT выявляется соматический мозаицизм: часть клеток с нормальным геном и часть – с мутированным [58]. Следует отметить, что мутации гена МеСР2 у них приводят не только к классической или атипичным формам RTT, но также к врожденной энцефалопатии и умственной отсталости в сочетании с различными неврологическими отклонениями [48]. Изучение влияния различных мутаций гена МеСР2 на фенотипические проявления болезни у мальчиков представляется информативным при изучении зависимости течения болезни от типа и положения мутации, поскольку это позволяет исключить влияние нормального аллеля гена МеСР2 [19]. У девочек с RTT тяжесть проявлений зависит от типа и расположения мутации MеCP2 и степени инактивации Xхромосомы. Если большинство клеток мозга экспрессируют X-хромосому с нормальным аллелем MеCP2, то RTT проявляется в легкой степени. Если же в большинстве нейронов активирована X-хромосома с мутантным MеCP2 аллелем, то RTT протекает очень тяжело, как и в случаях с мальчиками [42]. Однако, генетическая природа RTT у девочек без мутации в гене МеСР2 остается неизвестной. При нейроморфологическом исследовании выявлено наличие низкого числа дендритных шипиков и нарушение структуры дендритного ветвления нейронов коры и базальных ганглиев. Полученные данные послужили основанием для появления гипотезы «прерванного развития мозга» [24]. С помощью позитронноэмиссионной томографии обнаружены снижение плотности глутаматных рецепторов в базальных ганглиях, дофаминергических нейронов в хвостатом ядре, гипофункция холинергической системы, ослабление мозгового кровотока [34,42]. И снижение активности лобных отделов мозга при нейрофизиологических исследованиях [4,52]. Известно, что эпигенетические факторы, в частности, неравная инактивация хромосомы X могут оказывать модифицирующее влияние на действие белка МеСР2 при RTT [61]. Ряд исследований показали возможность влияния неравной Х-инактивации на клинические особенности RTT [39,62]. Уровень метилирования ДНК является фактором, определяющим структуру гетерохроматиновых локусов хромосом на уровне компактизации хроматина. Деметилирование ДНК вызывает резкие изменения в макромолекулярной организации хроматина в составе хромоцентров. Причины, по которым изменение уровня метилирования приводит к декомпактизации хроматина на макромолекулярном уровне, остаются неизвестными [3]. Метильные группы на остатках цитозина являются сайтами, присоединяющими MeCP2 [27,29]. Распознавание метилированной ДНК осуществляется благодаря присоединению метил- СpG-связывающих белков и, в частности, MeCP2 (Methyl-CpG binding protein 2), которые затем привлекают другие белки корепрессорного комплекса, приводя к подавлению транскрипции [44]. MeCP2 достаточно единственного метилированного СpG динуклеотида для связывания и активного подавления транскрипции. Если предположить, что дефицит SAM, вызванный мутациями в генах ферментов фолатного цикла повлечет за собой резкое снижение метильных групп, и как следствие, снижение метилирования, что в конечном итоге скажется на нарушении распознавания метилированной ДНК и потере способности гетерохроматина к компактизации до уровня хромоцентра. Таким образом, не происходит подавления транскрипции мутантного гена, что приводит к развитию RTT.

Выводы:

1. Украинская популяция является полиморфной по аллелям MTHFR (C677T, A1298C, G1793A); MTRR (A66G); RFC-1 (G80A).

2. Частоты генотипов в украинской популяции отличаются от европейских высоким удельным весом гомозигот и частотой мутантного аллеля А66G MTRR, что позволяет предположить адаптивное значение полиморфизма А66G в процессе эволюции. 29

3. Распределение компаундов обнаруживает сходство по частотам вариантов: С677Т Htzg/ А66G Htzg, N/ А66G Hmzg, а также С677Т Htzg/ А66G Hmzg, N/ А66G Htzg, что является предметом дальнейших наших фено- и генотипических сопоставлений.

4. Клинические проявления, ассоциированные с дефицитом ферментов фолатного цикла имеют право на существование как отдельные нозологические формы гомоцистнурии.

5. Суммарная частота полиморфных генов фолатного цикла среди 627 больных с различными формами наследственной патологии, составившая 89,1% обследованных, подтверждает значительную роль гипометилирования в манифестации клинических проявлений наследственных заболеваний и мультифакториальных нарушений, что необходимо учитывать при выборе тактики лечения.

6. В сложном механизме регуляции активности генома значительную роль играют эпигенетические модификаторы.

7. Дефицит ферментов фолатного цикла, являющихся донорами метильных групп, сопровождаются гипометилированием.

8. Если рассматривать метилирование ДНК как защитный механизм, который обеспечивает инактивацию паразитических последовательностей ДНК, таких как транспозоны и провирусные ДНК, то его нарушение может приводить к потере защиты от вредных рецессивных мутаций.

9. Можно предположить, что дефект работы донора метильных групп, каким является метионин, влечет за собой длинную цепь генетических событий, просматривающихся при оценке полиморфных аллелей и генов, регулирующих метаболизм фолатов и влияющих на фенотипические проявления мутаций.

Офіційний сайт

Версія сайту

ЗАКОНОМЕРНАЯ СВЯЗЬ МЕЖДУ РАЗВИТИЕМ НЕКОТОРЫХ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ БОЛЕЗНЕЙ И НАРУШЕНИЕМ МЕТИЛИРОВАНИЯ ДНК ВСЛЕДСТВИЕ ДЕФИЦИТА ФЕРМЕНТОВ ФОЛАТНОГО ЦИКЛА

Новини